感應水龍頭設計思路研究

密金榮

摘 要：隨著社會經濟與科學技術的不斷發(fā)展，人們生活水平不斷提高，在建筑節(jié)能領域中，對感應水龍頭的研究與應用越來越廣泛。通過對感應水龍頭的應用，能夠有效解決水資源，實現(xiàn)節(jié)能環(huán)保的目標。基于此，文章針對一種紅外線流量可控式水龍頭的設計展開研究與探討，簡單介紹了其工作原理，對系統(tǒng)硬件設計加以描述與分析，闡述了系統(tǒng)應用到的模糊PID控制算法理論，并結合公式與圖形對該感應水龍頭設計進行詳細的分析。

關鍵詞：感應水龍頭；節(jié)能；設計

中圖分類號：TV213.4 文獻標識碼：A 文章編號：1006-8937（2016）05-0013-02

隨著人們生活水平不斷提高，節(jié)能環(huán)保意識也在不斷提升。目前，很多人在日常生活中會存在忘記關水龍頭的情況，進而導致水資源的浪費。針對這一情況，研究人員設計出一種紅外感應自動水龍頭，這種科技產品在節(jié)能建筑中有著巨大的應用價值，能夠有效減少能耗，節(jié)約水資源。當然，這種水龍頭也存在一定的缺陷與不足，需要針對這些不足與缺陷展開深入的研究，并提出有效的改進措施，使問題得到解決，并在建筑節(jié)能領域中得到更加充分的應用與發(fā)揮。

1 系統(tǒng)工作原理

本文介紹的感應水龍頭采用的是SHARP紅外線傳感器，根據(jù)人手與水龍頭之間的距離進行檢測。該檢測元件的工作原理對紅外線加以利用，一旦在一定距離內遇到障礙物，就會反射不同強度的紅外線，并檢測障礙物距離，以此實現(xiàn)控制的目的。紅外線測距傳感器主要由一對紅外信號發(fā)射與接收二極管構成，在工作中發(fā)射管會針對一定頻率的紅外信號進行發(fā)射，而接收管則對這一頻率的信號進行接收，一旦障礙物出現(xiàn)在檢測方向，那么紅外信號將會進行發(fā)射，并通過接收管接收并處理，最后利用數(shù)字傳感器接口向單片機發(fā)送，最終進行一系列控制處理。這種紅外線傳感器對硬件設計進行了簡化，使開發(fā)與生產成本得到了有效控制，并且其具有簡單的編程，修改的工作量也相對較小[1]。

在檢測距離的過程中，人伸手的距離會通過紅外線測距傳感器進行檢測，并將相應的電壓信號通過輸出端輸出，因為STC系列的單片機內部自帶A/D轉換，因此，可以直接分析傳感器的電壓信號，然后根據(jù)分析結果采取一定的處理措施。紅外線測距傳感器輸出曲線圖，如圖1所示。

根據(jù)圖1可以看出，在一定區(qū)間內距離與輸出電壓呈一定的線性關系，因此在程序中，可以對工作范圍設定在一定的范圍內，以此實現(xiàn)對檢測誤差的有效控制，并使水龍頭的工作精確度得以有效提高。

將HD-1501MG系列的舵機作為輸出裝置，其具有較小的體型，工作原理為通過接收機通道將控制信號引入信號調制芯片，實現(xiàn)直流偏置電壓的獲取。其內部有一個基準電路，產生周期為20 ms，寬度為1.5 ms的基準信號，通過直流偏置電壓與電位器電壓的對比，實現(xiàn)電壓差輸出的獲取。

最后，根據(jù)電壓差，實現(xiàn)芯片受電機的驅動，并對電機的轉動方向進行確定。當達到一定轉速后，利用級聯(lián)減速齒輪，使電位器旋轉得以帶動，使電壓差保持為0，并使電機轉動停止。舵機控制信號其實就是PWM信號，通過對占空比，實現(xiàn)舵機位置的改變[2]。

2 系統(tǒng)設計原則

2.1 低負荷使用原則

在設計過程中，盡量減少水龍頭使用者無謂的動作，是設計者應當考慮的重要原則。

任何產品的設計都要站在使用者的生理和心理角度去考慮，讓使用者感到高效、舒適，能以一種自然的狀態(tài)使用產品，充分體現(xiàn)設計的人性化。

具體包括：減少使用者的重復動作次數(shù)；減少使用者持續(xù)性體力負荷；根據(jù)使用者條件的不同確保使用者處于自然裝填。這樣的設計對所有人來說都是有益的。因此設計師應秉承這種設計理念，認真思考設計問題。如：掀壓式的龍頭比螺旋式的更加省力，更有利于弱勢群體和大眾的使用等。

2.2 經濟耐用原則

首先是使用的耐久性設計，良好的產品性能是購買者安心、貼心使用的保障，水龍頭作為人們日常所需的用品，應盡量避免由于零件引起的故障的可能性，確保產品經久耐用，設計時力求簡約化，并滿足人們長時間使用的需求。

其次是低成本設計。水龍頭產品設計應符合通用設計理念，主要體現(xiàn)在產品的使用公平性和價格公平性。如果設計成本較高，就會造成產品的市場面較窄，甚至成為富人的專屬，難以實現(xiàn)水龍頭產品大規(guī)模生產的經濟效益。尤其是在人們日益追求生活品質的年代，水龍頭產品也趨向于智能化，這就能要求設計師要注重簡單質樸的設計，華而不實的產品最終會被淘汰，而且也不利于資源節(jié)約型、環(huán)境友好型社會的建設。

2.3 增進節(jié)水意識

水資源的日益匱乏是我國面臨的長期困境，由此節(jié)約用水成為了當前刻不容緩的措施。水龍頭產品的設計如果忽略了這一問題，不遵循這一標準，就不會被人們所接受。并且水龍頭作為重要的節(jié)水器具，啟發(fā)大眾的節(jié)水意識，讓使用者在使用過程中無意識的培養(yǎng)節(jié)水習慣，是設計師義不容辭的責任。如某感應水龍頭一次性只出一公升的水，足夠一個人快速洗一次手，相比較普通水龍頭每次可節(jié)約將近六公升的水，極大的提高了人們節(jié)水意識。

3 系統(tǒng)硬件設計

紅外線感應自動水龍頭系統(tǒng)的硬件設計涉及到的模塊比較多，主要有單片機主控、路徑信息采集模塊、電源模塊、接口擴展模塊以及舵機等等。具體硬件設計圖，如圖2所示。

單片機型號采用STC12C5608AD系列，這類芯片的應用較為廣泛，并且具有相對簡單的編程，成本相對低廉，具有較好的經濟性。

4 模糊PID控制算法理論

PID指的是積分-微分控制，這種算法具有較高的準確性與穩(wěn)定性。閉環(huán)控制系統(tǒng)主要為了實現(xiàn)對命令的快速響應，并且盡量控制誤差。在實驗中，為了確保舵機旋轉位置的準確性與快速性，由于PID控制的成熟度較高，實現(xiàn)難度相對較低，同時能夠使穩(wěn)態(tài)誤差得到有效控制，因此能夠基本滿足系統(tǒng)性能需求。然而其穩(wěn)定性也存在一定的影響因素，需要根據(jù)參數(shù)進行細致分析。相比于PID控制，模糊控制的優(yōu)勢十分突出，在超調量方面能夠保持較小的值，并且具有較大的快速性。然而就理論而言，模糊控制在很多方面仍有待完善，并且其具有相對復雜的算法，在控制過程中穩(wěn)態(tài)誤差出現(xiàn)的可能性較大。

因此，在舵機的控制系統(tǒng)中引入模糊控制算法，實現(xiàn)智能模糊PID控制系統(tǒng)的構建是具有一定可行性的，通過模糊控制自適應，實現(xiàn)PID參數(shù)的在線修改，并完成模糊自整定的構成，為了實現(xiàn)快速的角度調節(jié)，可以對舵機的旋轉角度進行控制，使控制效率得以有效提高[3]。

建立在應用模糊PID控制算法的基礎之上，采用單片機的主體，實現(xiàn)智能控制器的構建，通過其完成復雜數(shù)據(jù)的處理與控制。這一控制器在精確度、可靠性以及靈活性方面都具有一定的優(yōu)勢。關于模糊自整定PID算法程序的總流程，如圖3所示。

在離散性控制系統(tǒng)中，采用計算機的核心設備，并通過差分方程式表示PID控制，如下：

u（k）=Kpe（k）+■■e（j）T+T■■

其中，u（k）代表第k次采樣時的輸出，e（k）代表第k次采樣時的偏差，并由T代表采樣間隔。根據(jù)上式可以得出數(shù)字PID控制器的位置式算法：

u（k）=Kpe（k）+KiT■e（j）+■？駐e（k）

式中，輸出的控制量u（k）與系統(tǒng)輸出Y（位置）相對應，代表全量輸出。系統(tǒng)框圖，如圖4所示。

第二個公式的計算的復雜程度較高，通常情況下會由增量式的PID算式代替計算，即：

u（k）=Kp？駐e（k）+KiTe（k）+Kd■

該式的算法只對控制量的增量進行輸出。在實際控制算法中，為了實現(xiàn)對PID的調節(jié)，同城采用上式。在紅外線自動水龍頭系統(tǒng)中，仿真采用Matlab中的simulink模塊，系統(tǒng)具有隨動性，輸入信號為人手與水龍頭的距離，閥門開啟的大小代表舵機轉動角度，并作為輸出信號。通過模糊PID理論可知，可以調整所用參數(shù)，并繪制出人手與水龍頭距離曲線圖，如圖5所示。

根據(jù)上圖可以得知，在一定距離內，舵機調度與距離呈正比例關系，因此在進行水龍頭系統(tǒng)設計中，只對特定范圍進行考慮，一旦手超出一定距離，水龍頭將會關閉。根據(jù)仿真，可以實現(xiàn)對水龍頭轉動特性的清晰、直觀的觀察[4]。

由此可見，通過分析單片機檢測到的紅外線測距傳感器信號，利用PID對角度進行控制，能夠使舵機轉動時具有快速性、準確性以及穩(wěn)定性。據(jù)此，需要根據(jù)實際進行一定的水龍頭試驗是非常必要的。在試驗中，根據(jù)自動水龍頭控制的實際效果，可以得出其在動態(tài)特性、穩(wěn)定性以及抗干擾能力都具有一定的優(yōu)勢。當然，在市場中不可避免會出現(xiàn)一系列問題，需要我們針對這些問題提出有效措施予以改進，使紅外線感應水龍頭系統(tǒng)得到優(yōu)化，發(fā)揮出更大的作用，實現(xiàn)對水資源的有效控制與節(jié)約。

5 結 語

綜上所述，紅外線流量可控式感應水龍頭在建筑節(jié)能領域中的應用是具有一定的可靠性的。通過對其設計的分析與探討，可以得知這種感應水龍頭采用模糊PID算法，系統(tǒng)整體的靈活性與適應性都具有一定的優(yōu)勢，并且控制精度高，能夠有效實現(xiàn)節(jié)能環(huán)保的目的。

隨著科學技術的不斷進步，相信對感應水龍頭的研究將會越來越深入，并且對于這種紅外線流量可控式感應水龍頭而言，其中存在的缺陷與不足將會得到改進與彌補，在未來建筑節(jié)能領域中，將會具有巨大的應用前景與發(fā)展控制。

參考文獻：

[1] 寧禮佳，郭婷婷，武志明，等.流量可控式紅外線感應水龍頭控制模塊 設計[J].節(jié)能技術，2013，（3）.

[2] 吳敏.感應式自動水龍頭的自制與應用[J].科學與財富，2010，（8）.

[3] 司玉娜，魯建亞，慕紅峰，等.對自動感應水龍頭的節(jié)水模型和控制的研 究[J].才智，2014，（16）.

[4] 王國棟，孫志平，劉志勇，家用智能水龍頭專利項目產品簡介與市場前 景分析[J].中國科技縱橫，2013，（24）.